摘要：高速切削工藝以高效、精密和柔性為基本特征，被視為現代制造技術領域的一個里程碑。從國外研究現狀、國內已有的實際研究成就，以及目前國內存在的問題和提高切削速度帶來的經濟效益等方面，探討高速切削工藝在我國的戰(zhàn)略地位、高速切削工藝研究內容及有關研究基地建設問題，以便有利于高速切削工藝健康迅速發(fā)展，為振興我國的機械工業(yè)獻計獻策。
高速切削技術因大幅度節(jié)省切削工時并實現高效精密生產，被視為現代制造技術的里程碑。
1高速切削技術國外研究現狀
高速切削技術是在機床結構及材料、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC控制系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關的硬件與軟件技術均得到充分發(fā)展的基礎上綜合而成的。德國Darmstadt工業(yè)大學PTW所以舒爾茨教授為核心的科研小組和日本京都大學工學研究科以垣野教授為核心的課題組均已研制出商品化的高速切削機床，在德國和日本的企業(yè)界，都分別享有較高的聲譽。
舒爾茨教授在德國政府強有力的資助下，聯合18家企業(yè)，共同攻關，從1984年到1989年，完成高速切削機床各相關硬件與軟件的開發(fā)，研究水平超過了當時居領先地位的美國。1993年，直線電機的出現拉開了高速進給的序幕，從而也使高速切削技術走向成熟應用階段。目前，PTW所研制的高速機床已在德國許多企業(yè)里應用。高速立式銑削加工中心是該所特色產品，實用化的主軸轉速為60,000r/min，最快進給速度X、Y、Z軸均為60m/min，加速度為2.5g，重復定位精度±1μm。PTW所在研制高速切削機床的同時，還在高速切削工藝方面進行深入研究，在有色輕金屬、復合材料、鑄鐵及模具鋼等高速切削機理研究方面形成系統理論，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性為目標，對高速切削工藝進行優(yōu)化，對指導高速切削生產起到很大作用。研究內容有各種材料高速切削過程中切屑形成機理，刀具材料及切削參數優(yōu)化，面向高速切削過程的CAD/CAM系統開發(fā)，刀夾系統安全性設計，刀具結構設計及動平衡，刀具空間位姿及走刀路徑控制，少量氣束噴霧冷卻技術等。該所高速切削研究成果已應用于汽車發(fā)動機、飛機框架構件及渦輪葉片的制造。
垣野教授聯合9家企業(yè)，于1996年研制出日本第一臺商品化臥式高速切削加工中心，該加工中心主軸轉速30000r/min，最大進給速度80m/min，加速度為2g，重復定位精度±1μm。同時也致力于高速切削工藝研究，主要內容包括高速切削工藝數據庫，高速切削刀具磨損破損機理，切屑控制，高速切削過程CAD/CAM系統開發(fā)及質量控制等，從而加速高速切削技術產業(yè)化進程。目前，垣野研究室研究成果在日本企業(yè)界甚至在國際上均產生重大影響。
2國內高速切削研究成果及存在問題
我國在90年初開始有關高速切削機床及工藝的研究。研究內容包括水泥床身、超高速主軸系統、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進給系統、有色金屬及鑄鐵超高速切削機理與適應刀具等方面。通過我國科技工作者的艱苦工作，各項關鍵技術都取得了顯著進展。
部分單項技術指標可達國際先進水平。然而高速切削機床是諸多高新技術的高度集成，并且在一定的市場需求驅動下才能真正發(fā)展起來。目前，真正應用于工業(yè)生產的完全由我國自行開發(fā)的國產高速切削機床還沒有。從在北京舉辦的1998年第4屆中國機床工具商品展覽交易會的機床展品中，可以看出國產機床概況：車床的最高轉速小于3000r/min，加工中心40號主軸的轉速小于6000r/min，50號主軸的轉速小于4000r/min，進給速度小于20m/min，無內藏式電機主軸及直線電機的機床樣品展出，展出的加工中心均無實物加工展示。
高速切削是建立在制造技術全面發(fā)展的基礎上的，一方面是數控機床的主機結構和數控系統具備了更高的剛性、更快的運動速度和精度，另一方面是各種刀具材料性能顯著改善，以及新型刀具材料和涂層工藝的開發(fā)和推廣應用，性能更耐磨、更可靠，價格相對低廉的刀具材料成為發(fā)展高速切削的可靠保證。
國內在高速切削工藝研究方面取得了許多成果，盡管不能形成系統理論，但畢竟為推動高速切削技術的應用做出了貢獻。目前我國在陶瓷刀具材料、細顆粒和超細粒牌號的硬質合金、涂層硬質合金及陶瓷、金剛石薄膜涂層刀具和CVD沉積厚膜刀具、立方氮化硼刀具等方面，開發(fā)及應用均形成一定規(guī)模，為實現高速切削提供適用的刀具。本課題組為某汽車公司發(fā)動機高速切削生產線刀具國產化做了有益的工作，直接經濟效益非常可觀；為某飛機公司平尾上壁板鋁合金構件的高速銑削工序設計研制專用的立銑刀，取得了穩(wěn)定可靠的高質量和顯著的經濟效益。在鋁合金結構件的數控加工中，常規(guī)的銑削用量是轉速4500～6000r/min，進給速度1000mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深5mm，刀具為普通立銑刀YG6；使用本課題組提供的專用立銑刀YG6時，銑削用量為轉速12000～15000r/min，進給速度2400mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深10mm。加工質量完全符合圖紙要求，刀具具有良好切削性能，生產率提高1.6倍，實際工時節(jié)約62.5%，刀具壽命按加工量計算提高約30%，該工序每年節(jié)約150萬元。
由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點，因而首先受到航空航天、汽車、模具等行業(yè)的青睞，這些部門進口的高速切削機床已頗具規(guī)模。然而，由于國內缺乏高速切削基礎理論體系和工藝技術應用系統研究，因而高速切削生產中缺乏可靠的技術指導，生產中工藝不盡合理，沒有充分發(fā)揮高速切削所固有的高效精密的優(yōu)勢。其原因歸納如下：
高速切削技術在切削原理上是對常規(guī)切削的重大突破，在切削加工工藝安排、切削用量選擇及刀具應用等方面有較大的特殊性，普通切削工藝及傳統刀具不能滿足高速切削技術要求，而這一點往往沒有被實際操作人員認識。
生產實際中缺乏較全面的實用化的高速切削工藝數據庫。
高速切削刀具未形成系列化、標準化。
3高速切削工藝的戰(zhàn)略地位
在各個國家的生產力構成中，制造技術的作用往往占60％左右，各種高科技只有通過制造技術才能形成產品。由于歷史的原因，我國的制造技術發(fā)展曾受到一些冷遇，尤其是工藝知識沒有被重視，產品質量得不到保證，我國的許多產品在國際市場上缺乏競爭能力。近年來，
國際國內形勢的發(fā)展給我國機械制造業(yè)帶來了機遇，尤其是給高速切削工藝的應用提供了有利條件。主要體現在以下幾方面：
各種高尖新產品不斷涌現，產品能否占領市場主要取決于產品的性能價格比。高效率生產出高質量的產品是贏得競爭的惟一途徑。高速切削工藝的優(yōu)勢，也體現在高效率、高精度等方面。
隨著我國經濟實力的不斷提高，激烈的市場競爭，迫使目前我國擁有的高速切削機床的規(guī)模還要擴大，這必將要求有較為成熟的高速切削工藝與之相匹配，使之充分發(fā)揮作用。
航空部門大型整體薄壁飛機結構件加工將普遍采用高速銑削工藝，減輕整機重量，提高飛機整機性能。
模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高進給速度、小切深、小走刀步距、能連續(xù)長路程切削的模具加工新工藝，對淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開發(fā)周期、降低制造成本的主要途徑。
汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生產。
干式(準干式)切削的綠色制造技術將給高速切削工藝的應用提供極好的機會。
高速切削工藝范圍，能滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，并且能顯著減少拋光工時，提高高速切削工藝同其它加工工藝競爭的能力。
4高速切削工藝研究內容
合理的高速切削工藝將使得昂貴的高速切削機床充分發(fā)揮作用。而切削工藝和刀具的優(yōu)化，必然依賴于對各種工件材料高速切削機理的基礎研究和各種刀具材料的磨損破損機理的研究�；诳沙掷m(xù)發(fā)展思想的綠色制造技術的重要內容就是干式(準干式)切削加工技術，高速切削工藝為該技術的實現提供了條件�；谡`差分離補償技術的精密加工理論，將使得高速切削工藝在加工效率、加工精度以及表面完整性方面進一步提高，工藝應用范圍實現從粗加工至超精加工。另外在飛機、汽車及模具生產中，高速切削工藝的連續(xù)長路程切削加工特點，決定了切削刀具及機床設備應具有更高的可靠性，切削加工過程監(jiān)控技術急需進一步完善�；谏鲜稣J識，高速切削工藝研究內容有如下幾方面：
高速切削機理研究，尤其是模具鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料高速切削機理研究。
高速切削工藝數據庫。
高速切削刀具系列化、標準化研究。
干式(準干式)切削技術研究。
加工誤差綜合動態(tài)補償技術研究。
高速切削刀具狀態(tài)監(jiān)控及工況監(jiān)測技術。
5高速切削技術研究基地建設
高速切削技術作為先進制造技術之一，是機械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在我國發(fā)展高速切削技術必須緊密結合我國國情，有針對性、有步驟地分階段進行，從全局出發(fā)，協同發(fā)展。選擇一些研究技術力量雄厚、科研梯隊合理的科研院所和大學為研究基地，這些科研機構必須具備如下條件：
已具備基本的試驗研究設備和方法。
已取得關于高速切削技術的研究成果，并有一定的技術積累。
與生產單位有密切的聯系，確保研究成果既有先進性又有實用性。
我國目前的國情是，在航空、汽車和模具等生產部門，已進口相當規(guī)模的高速切削機床，而且進口高速切削機床數量還將進一步上升。要使這些昂貴的設備充分發(fā)揮作用，針對各種材料的高速切削機理，開發(fā)出合理的高速切削工藝規(guī)范是當務之急。但從長遠規(guī)劃來看，依靠我國科技力量，研制我國國產的高速切削機床是必然趨勢和根本要求。機床研制要求諸多專業(yè)生產廠家協同合作，齊頭并進。德國Darmstadt工業(yè)大學PTW所和日本京都大學垣野研究室所取得的成功經驗對我們也是一個很好的啟迪。當然在市場上，在相當長的一段時間內，國產高速切削機床無法與進口高速切削機床抗爭，但隨著技術的積累以及良好的分工合作，我國國產的高速切削機床在市場上的占有份額必將增大，從而從根本上增強我國的機械制造實力，為國民經濟的迅速穩(wěn)定發(fā)展奠定雄厚的物質技術基礎。不論是工藝研究還是機床研制，應用廠家、高校與研究單位的“產、學、研”協作應為最佳的形式。
為了使國家投入的有限科研經費充分發(fā)揮作用，使科研成果直接轉化為生產力，走“產、學、研”相結合的道路非常重要。在進行科學研究過程中沒有實際生產應用部門的配合和支持是不行的。生產部門的生產經驗和需求對于科研成果的先進性和實用性至關重要。高速切削生產實際急需較為成熟的高速切削工藝規(guī)范。因此，進行高速切削工藝研究的基本政策是，在全國范圍內全面規(guī)劃，結合行業(yè)特點和地區(qū)特點，選擇已具備基本研究試驗條件的，且已有一定技術積累的科研單位為基地，進行高水平的科研活動。各個研究基地應分工協作，優(yōu)勢互補。只有這樣才能在較短的時間內改變我國高速切削工藝落后的面貌，充分發(fā)揮我國已頗具規(guī)模的進口高速切削機床的作用。這必將帶動高速切削相關技術的迅速發(fā)展，有利于我國國產高速切削機床研制成功，從根本上振興我國的機械制造業(yè)。 |
